CN220358825U - 一种动态安全保护的储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的一种动态安全保护的电池单元及储能系统，采用新的系统架构与控制方法，通过采用电池单元内将热备份或并行运行的电池及电池包组串的部件单元作为旁路在线替换故障部件，提高电池单元的自愈能力，对异常故障电池单元内发生异常故障的电池或电池包组串，进行动态隔离切出，有效解决无缝切出故障的电池或电池包组串，且便于维护更换作业，同时保障电池单元构成的组串持续运行；克服了现有技术采用连接电力线直接旁路的系统架构，以及先控制断开故障电池单元再控制旁路导通，导致电池单元串联组串瞬时断电，造成储能系统停机或瘫痪的不当控制方法；实现动态安全保护的电池单元，使得储能系统达到更高的安全性和更好的经济性。

Description

一种动态安全保护的储能系统

技术领域

本实用新型属于电池储能技术领域，具体涉及一种动态安全保护的储能系统。

背景技术

电池储能系统是由众多的小电量电池通过串并联连接构成电池组，并通过电力转换设备接入电网进行充放电。由于存在电池单体本身不一致性的不可避免缺陷，特别是使用一段时间的电池及退役电池，其不一致性尤为突出，加之电池储能系统的电池安装与物理位置不同以及连接摆放相对固定，对电池充放电的电量产生不一致性影响进一步增加，不仅造成电池储能系统充放电产生整体效率下降的短板效应，而且容易产生个别电池电压及电量偏差过大，造成电池过充或过放乃至燃爆的不安全风险。

为了解决和实现个性化的电池单体和电池包，以及电池组串和储能单元系统运行过程中的一致性控制和储能系统安全、健康、高效运行，减少短板效应；储能系统设计与集成时，采用不同的部件选择与配置方法及系统架构和连接方式，以及系统部件之间的运行控制关系，决定了储能系统的实际效果。国家知识产权局公布的发明专利《一种电池单元、储能系统及电池单元故障保护方法》专利号为CN113193628，该技术方案提出了一种电池单元、储能系统及电池单元故障保护方法，所公布的技术方案设计的系统及系统架构图；其方案实质特征是在电池单元串联组串的电池单元设置一个控制其开路的开关，将故障电池单元及电池单元串联组串电路断开形成开路，再通过设置的旁路电力线及开关的闭合导通，实现用旁路电力线短接替代产生故障的电池单元；该技术方案的设计构思与系统部件的连接关系与作用，以及给出了相应控制规则与方法；从中不难看出该技术方案存在明显的缺陷：

其一，该方案系统架构及控制方法的设计，发现故障的电池单元时，控制第一可控开关断开，从而使本电池单元与其他电池单元串联构成的电路开路，造成故障电池单元和其他电池单元串联构成的电池单元串联组串形成开路，与电力转换设备的直流母线瞬时断开，使得电力转换设备因电池组串的开路，造成直流电力中断，产生直流侧断电故障，致使电力转换设备故障停机。

其二，该技术方案假定了一个控制的前置条件，即所述电力转换设备在所述电路中串联的电池单元数量减少的情况下，仍具备对电池单元进行充放电操作的能力。这一假定限制了该方案的实效性；众所周知，电池储能系统设计的直流端电压，是按照电力转换设备直流侧的直流电压工作范围要求设计，电池单元数量减少一个以上，会出现不能满足相应直流侧电压工作范围风险，造成储能系统的停机或瘫痪。因此，需要保证在一个电池单元以上数量因异常故障隔离切出后，应保持电池单元串联组串的端电压满足电力转换设备直流侧工作电压范围。

为了克服现有技术方案的缺陷，有效解决上述技术难点与问题。本实用新型采用新的系统架构，避免了旁路直接采用连接电力线的系统架构，以及采用先控制断开故障电池单元，再控制旁路导通的不当控制方法。本实用新型通过在电池单元内，设计了用作旁路的电池及电池包组串作为热备份或并行运行的部件单元在线替换故障的部件单元，提高电池单元的自愈能力，并且有效解决异常故障电池单元内，对发生异常故障的电池或电池包组串进行动态隔离切出，便于维护更换作业；有效解决无缝切出故障的电池或电池包组串，同时保障电池单元构成的组串持续运行。

发明内容

本实用新型具体技术方案为，一种动态安全保护的储能系统，其中，所述一种电池单元，包括两个单体电池或电池包串联连接的电池组串P，还包括电池监控单元、第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；其特征在于，通过第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3的通断连接关系，分别构成热备份运行模式连接架构、并联运行模式连接架构以及串联运行模式连接架构的柔性系统架构；所述电池单元内的电池监控单元，分别通过电池监测通信线连接本电池单元的单体电池或电池包，同时分别连接相应的第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3，构成监测和切出异常故障电池单元的单体电池或电池包的控制路径。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征是，热备份运行模式连接架构的连接关系为，所述电池单元内的电池监控单元通过电池监测通信线连接单体电池或电池包的每个单体电池，同时分别连接控制第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；其特征在于，任一电池单元的第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P接入并处于运行状态，而第j单体电池或电池包串联连接的电池组串P为热备份状态时，即：热备份运行模式连接架构，由第一可控开关K1两端分别连接电池单元的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极之间，并且控制第一可控开关K1闭合导通；同时第二可控开关K2两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极之间，并且控制第二可控开关K2断开；以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极，并且控制第三可控开关K3断开；

或者，任一电池单元的第j单体电池或电池包串联连接的电池组串P接入处于运行状态，第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P为热备份状态时，即：热备份运行模式连接架构，由第一可控开关K1两端分别连接电池单元的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极之间，并且第一可控开关K1断开；同时第二可控开关K2分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极之间，并且第二可控开关K2闭合导通；以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极之间，并且第三可控开关K3断开，构成热备份运行模式连接架构的电池单元。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征是，并联运行模式连接架构的连接关系为，所述电池单元内的电池监控单元通过电池监测通信线连接单体电池或电池包的每个单体电池，同时分别连接控制第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；由第一可控开关K1两端分别连接电池单元的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P的正极，并且第一可控开关K1闭合导通；同时第二可控开关K2两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串P的负极，并且第二可控开关K2闭合导通；以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串P的负极，并且第三可控开关K3断开，构成并联运行模式连接架构的电池单元。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征是，串联运行模式连接架构的连接关系为，所述电池单元内的电池监控单元通过电池监测通信线连接单体电池或电池包的每个单体电池，同时分别连接控制第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；由第一可控开关K1两端分别连接电池单元的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P的正极，并且第一可控开关K1断开；同时第二可控开关K2两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串P的负极，并且第二可控开关K2断开；以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串P的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串P的负极，并且第三可控开关K3闭合导通，构成串联运行模式连接架构的电池单元。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述的电池单元检测到本电池单元的单体电池或电池包出现所述异常故障，包括温度、电压、SOC中的任意一项或任意多项参数异常的组合。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述电池单元内的电池监控单元，通过电池监测通信线连接本电池单元的单体电池或电池包运行参数，经控制通信线上传给集中控制由多个电池单元组成储能系统的电池管理单元，构成电池管理单元监控电池单元及电池监控单元的控制路径。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述单体电池或电池包部分为一个单体电池，或者为多个单体电池的串联组合，或者为多个单体电池的并联组合，或者为多个单体电池的串并联组合。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述一种储能系统，包括：由多个所述的电池单元相串联构成的电池单元串联组串，以及电池管理单元、电力转换设备、控制通信线、正极直流母线、负极直流母线、直流组串正极连接开关与高压保护电路、直流组串负极连接开关与高压保护电路；其特征在于，电池单元串联组串的正极与负极，分别通过直流组串正极连接开关与高压保护电路、直流组串负极连接开关与高压保护电路，连接的正极直流母线与负极直流母线接入电力转换设备，构成储能系统及电池单元充放电的电力路径；同时由电池管理单元通过控制通信线，分别连接电力转换设备和各电池单元中的电池监控单元，构成储能系统及监控路径。

本实用新型提出的一种动态安全保护的储能系统，采用新的系统架构，通过采用电池单元内将热备份或并行运行的电池及电池包组串的部件单元作为旁路在线替换故障部件，提高电池单元的自愈能力，对异常故障电池单元内发生异常故障的电池或电池包组串，进行动态隔离切出，有效解决无缝切出故障的电池或电池包组串，且便于维护更换作业，同时保障电池单元构成的组串持续运行；克服了现有技术采用连接电力线直接旁路的系统架构，以及先控制断开故障电池单元再控制旁路导通，导致电池单元串联组串瞬时断电，造成储能系统停机或瘫痪的不当控制方法；实现动态安全保护的电池单元，使得储能系统达到更高的安全性和更好的经济性。

附图说明

图1是一种动态安全保护的储能系统的原理示意框图。

图2是同一电池单元构成原理示意图。

具体实施方式

作为实施例子，结合附图对一种动态安全保护的储能系统给予说明，但是，所描述的实施例是本实用新型应用于一种动态安全保护的储能系统的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围；本实用新型的技术与方案不限于本实施例子给出的内容。

如图1-2所示，一种动态安全保护的储能系统，其中，所述一种电池单元10，包括两个单体电池或电池包串联连接的电池组串P，还包括电池监控单元11、第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；其特征在于，通过控制第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3的通断，分别构成热备份运行模式连接架构、并联运行模式连接架构以及串联运行模式连接架构的柔性系统架构；其特征在于，所述电池单元10内的电池监控单元11，实时监测单体电池或电池包的电压、温度及实时运行参数，在检测到本电池单元10的单体电池或电池包出现异常时：控制相应的第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3的通断状态，隔离或切出异常的单体电池或电池包串联连接的电池组串P，并控制所述储能系统电路中未出现异常故障的单体电池或电池包串联连接的电池组串P以及电池单元串联组串3能够持续正常运行。

如图2所示，所述一种动态安全保护的电池单元及储能系统，其特征是，热备份运行模式连接架构的连接关系为，所述电池单元10内的电池监控单元11通过电池监测通信线12分别连接单体电池或电池包的每个单体电池，同时分别连接控制第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；其特征在于，任一电池单元10的第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi接入运行，而第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj为热备份时，即：热备份运行模式连接架构，由第一可控开关K1分别连接电池单元10的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极之间，并且第一可控开关K1闭合导通；同时第二可控开关K2分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极之间，并且第二可控开关K2断开；以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极，并且第三可控开关K3断开；

或者，任一电池单元10的第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj接入运行，第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi为热备份时，即：热备份运行模式连接架构，由第一可控开关K1两端分别连接电池单元10的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极之间，并且第一可控开关K1断开；同时第二可控开关K2分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极之间，并且第二可控开关K2闭合导通；以及第三可控开关K3分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极之间，并且第三可控开关K3断开。

如图2所示，所述一种动态安全保护的储能系统，其特征是，并联运行模式连接架构的连接关系为，所述电池单元10内的电池监控单元11通过电池监测通信线12连接单体电池或电池包的每个单体电池，同时分别连接控制第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；其特征在于，由第一可控开关K1两端分别连接电池单元10的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极，并且第一可控开关K1闭合导通；同时第二可控开关K2两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极，并且第二可控开关K2闭合导通；以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极，并且第三可控开关K3断开。

如图2所示，所述一种动态安全保护的储能系统，其特征是，串联运行模式连接架构的连接关系为，所述电池单元10内的电池监控单元11通过电池监测通信线12连接单体电池或电池包的每个单体电池，同时分别连接控制第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；其特征在于，由第一可控开关K1两端分别连接电池单元10的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极，并且第一可控开关K1断开；同时第二可控开关K2两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极，并且第二可控开关K2断开；以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极，并且第三可控开关K3闭合导通，构成串联运行模式连接架构的电池单元10；其特征还在于，电池单元串联组串3在发生电池单元异常故障整体切出电池单元时，控制正常电池单元构成串联运行模式连接架构，再替换切出异常故障的电池单元，使得电池单元串联组串3端电压满足电力转换设备2的直流侧工作电压要求；切出和替换异常故障的电池单元的控制方法为：先控制直流组串正极连接开关与高压保护电路7和直流组串负极连接开关与高压保护电路8断开，取出异常故障电池单元的第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi和第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj之后，控制第一可控开关K1和第二可控开关K2以及第三可控开关K3闭合导通，将异常故障的电池单元旁路及切出异常故障电池单元，并将串联运行模式连接架构的正常电池单元接入电池单元串联组串3中，至此，控制直流组串正极连接开关与高压保护电路7和直流组串负极连接开关与高压保护电路8的闭合导通，构成正常运行的储能系统。

如图2所示，所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述电池单元10内的电池监控单元11，在检测到本电池单元10的单体电池或电池包出现异常时，控制第一可控开关K1、第二二可控开关K2和第三可控开关K3的通断，具体控制为：检查当前电池单元10的运行模式连接架构，当前为热备份运行模式连接架构，且第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi在运行状态并发生异常故障，而第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj为热备份状态，此时第三可控开关K3为断开状态，先控制第二可控开关K2闭合导通，再控制第一可控开关K1断开，将异常故障的第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi开路并隔离切出；若第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi为热备份状态，而第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj在运行状态并发生异常故障，此时第三可控开关K3为断开状态，先控制第一可控开关K1闭合导通，再控制第二可控开关K2断开，将异常故障的第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj开路并隔离切出。

或当前为并联运行模式连接架构，且第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi在运行状态并发生异常故障，而第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj为并联运行状态，此时第三可控开关K3为断开状态，而第一可控开关K1和第二可控开关K2为闭合导通状态，先控制第二可控开关K2保持闭合导通，再控制第一可控开关K1断开，将异常故障的第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi开路并隔离切出；若第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi为并联运行状态，而第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj在运行状态并发生异常故障，此时第三可控开关K3继续保持断开状态，先控制第二可控开关K1保持闭合导通，再控制第一可控开关K2断开，将异常故障的第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj开路并隔离切出。

如图2所示，所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述的电池单元10检测到本电池单元10的单体电池或电池包出现所述异常故障，包括温度、电压、SOC中的任意一项或任意多项参数异常的组合。

如图2所示，所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述电池单元10内的电池监控单元11获取本电池单元10内单体电池或电池包运行参数，据此判断本电池单元10异常故障与否。

如图2所示，所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述电池单元10内的电池监控单元11，通过电池监测通信线12获取本电池单元10的单体电池或电池包运行参数，通过控制通信线4上传给集中控制由多个电池单元10组成储能系统的电池管理单元1，由所述电池管理单元1判断本电池单元10故障与否，并将判断结果下发给本电池单元10中的电池监控单元11。

所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述单体电池或电池包部分为一个单体电池，或者为多个单体电池的串联组合，或者为多个单体电池的并联组合，或者为多个单体电池的串并联组合。

如图1-2所示，所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述一种储能系统，包括：由多个所述的电池单元相串联构成的电池单元串联组串3，以及电池管理单元1、电力转换设备2、控制通信线4、正极直流母线5、负极直流母线6、直流组串正极连接开关与高压保护电路7、直流组串负极连接开关与高压保护电路8；其特征在于电池单元串联组串3的正极与负极，分别通过直流组串正极连接开关与高压保护电路7、直流组串负极连接开关与高压保护电路8，连接的正极直流母线5与负极直流母线6接入电力转换设备2，构成储能系统及电池单元10充放电的电力路径；同时由电池管理单元1通过控制通信线4，分别连接电力转换设备2和各电池单元10中的电池监控单元11，构成储能系统及监控路径。

本发明提出的一种动态安全保护的储能系统，采用新的系统架构，通过采用电池单元内旁路作为热备份或并行运行的电池及电池包组串的部件单元在线替换故障部件，提高电池单元的自愈能力，有效解决了对异常故障电池单元内的发生异常故障电池或电池包组串，进行动态隔离切出，有效解决无缝切出故障的电池或电池包组串，且便于维护更换作业，同时保障电池单元构成的组串持续运行。克服了现有技术采用连接电力线直接旁路的系统架构，以及先控制断开故障电池单元再控制旁路导通，导致电池单元串联组串瞬时断电，造成储能系统停机或瘫痪的不当控制方法；实现动态安全保护的电池单元，使得储能系统达到更高的安全性和更好的经济性。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域普通技术人员而言，根据本发明的技术方案，设计出各种变形的组配、公式、参数并不需要花费创造性劳动，在不脱离本实用新型的原理和构思架构的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种动态安全保护的储能系统，包括：由多个电池单元相串联构成的电池单元串联组串，以及电池管理单元、电力转换设备、控制通信线、正极直流母线、负极直流母线、直流组串正极连接开关与高压保护电路、直流组串负极连接开关与高压保护电路；其中，电池单元串联组串的正极与负极，分别通过直流组串正极连接开关与高压保护电路、直流组串负极连接开关与高压保护电路，连接的正极直流母线与负极直流母线接入电力转换设备，构成储能系统及电池单元充放电的电力路径；同时由电池管理单元通过控制通信线，分别连接电力转换设备和各电池单元中的电池监控单元，构成储能系统及监控路径；其特征在于，一种所述电池单元，包括两个单体电池或电池包串联连接的电池组串P，还包括电池监控单元、第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3；所述电池单元内的电池监控单元，分别通过电池监测通信线连接本电池单元的单体电池或电池包，同时分别连接相应的第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3，构成监测和切出异常故障电池单元的单体电池或电池包的控制路径，并通过第一可控开关K1、第二可控开关K2和第三可控开关K3的通断连接关系，分别构成热备份运行模式连接架构、并联运行模式连接架构以及串联运行模式连接架构的柔性系统架构；其中：

由第一可控开关K1两端分别连接电池单元的正极端子和第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极之间，同时第二可控开关K2两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的负极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极之间，以及第三可控开关K3两端分别连接第i单体电池或电池包串联连接的电池组串Pi的正极与第j单体电池或电池包串联连接的电池组串Pj的负极。

2.根据权利要求1所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述的电池单元检测到本电池单元的单体电池或电池包出现所述异常故障，包括温度、电压、SOC中的任意一项或任意多项参数异常的组合。

3.根据权利要求1所述一种动态安全保护的储能系统，其特征在于，所述单体电池或电池包部分为一个单体电池，或者为多个单体电池的串联组合，或者为多个单体电池的并联组合，或者为多个单体电池的串并联组合。